Способ определения наличия тяжелых металлов в водных растворах

 

Изобретение относится к области исследования жидких сред на предмет их загрязнения, а именно к области токсикологического контроля за содержанием тяжелых металлов в водных растворах. Сущность изобретения: при осуществлении способа определения наличия тяжелых металлов в жидкостях в исследуемый раствор добавляют водный раствор белка известной молекулярной массы, затем среду, содержащую раствор белка и исследуемую жидкость, облучают лазерным светом, после этого определяют эффективную массу рассеивающих частиц смеси методом рэлеевского рассеяния света и по изменению этой массы по сравнению с молекулярной массой белка исходного раствора определяют наличие тяжелого металла в исследуемом водном растворе. 2 ил.

Изобретение относится к области исследования жидких сред на предмет их загрязнения, а именно к области токсикологического контроля за содержанием тяжелых металлов в жидкостях, таких как водные растворы, путем использования методов молекулярной оптики.

Известны способы определения содержания тяжелых металлов в жидкостях, основанные на методах хроматографии [1]. К недостаткам этих методов следует отнести то, что они очень трудоемки, не обладают необходимой пороговой чувствительностью и требуют наличия специальной дорогостоящей аппаратуры. В случае использования хроматографического метода требуются высушивание образца, сжигание его в пламени и последующее проведение спектрального анализа эмиссионных линий.

Известен также способ определения наличия тяжелых металлов или их ионов в биологических жидкостях, основанный на методе хемилюминесценции [2]. В этом случае обнаружение токсичных веществ, в том числе ионов металлов переменной валентности, производится с помощью инициированной люминесценции, при этом для регистрации сверх слабого свечения требуется уникальная дорогостоящая аппаратура, основанная на принципе счета фотонов. Недостатком этого способа является невозможность отделить токсическое воздействие тяжелых металлов от воздействия других токсинов (например, окисленных полифенолов, гербицидов и др.).

Наиболее близким по физической сущности к предлагаемому способу является способ диагностики наличия тяжелых металлов в жидкостях, например в водных растворах, основанный на исследовании физических свойств среды с использованием лазерного света [3] (прототип).

Способ заключается в том, что анализируют спектры флуоресценции, возбужденной с помощью твердотельных перестраиваемых лазеров с центрами окрашивания и с лазерной накачкой. В этом случае приходится использовать испарение образцов в газовом пламени с помощью пламенного атомайзера.

Этот способ является весьма дорогим, т.к. требует для расшифровки дорогого люминесцентного спектрометра высокой разрешающей силы. К недостаткам способа-прототипа можно отнести также то, что система позволяет определять наличие только тех элементов, у которых имеются люминесцентные спектры возбуждения, система работает в импульсном режиме, для индуцирования спектров требуется сложная дорогостоящая система, состоящая из двух лазеров, требуется сложная методика накопления сигнала, необходим разогрев образцов до температур порядка 2000 К, требуется большое количество испытуемого раствора.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание эффективного способа определения наличия тяжелых металлов в водных растворах.

К достоинствам настоящего изобретения относятся: 1) повышение чувствительности и точности в определении присутствия тяжелых ионов в жидкой среде, 2) возможность использования в качестве проб малых количеств, 3) создание достаточно простых и дешевых оптических устройств для исследования,
4) относительно небольшое время проведения анализа пробы,
5) область применения данного способа, по сравнению с прототипом, может быть существенно расширена за счет использования в медицине для анализа водных растворов.

Указанные результаты достигаются тем, что для определения наличия тяжелых металлов в жидкостях исследуются физические параметры среды с использованием лазерного света, для чего в исследуемую среду добавляют водный раствор оптимальной концентрации белка известной молекулярной массы, затем полученную смесь облучают лазерным светом непрерывного действия, после этого определяют эффективную массу рассеивающих частиц смеси методом рэлеевского рассеяния света и по изменению этой массы по сравнению с молекулярной массой белка исходного раствора определяют наличие тяжелого металла в исследуемой жидкости.

Основой предлагаемого физического метода токсикологической проверки жидкостей является понимание молекулярного механизма, связанного с взаимодействием ионов тяжелых металлов с биологическими макромолекулами.

Известно, что поверхность макромолекулы белка в водном растворе является заряженной [4] . Заряд на макромолекуле белка распределен неравномерно, поэтому она обладает также большим дипольным моментом (до нескольких сот единиц дебая). В растворе макромолекула белка окружена облаком противоионов. В качестве третьей компоненты в растворе могут присутствовать ионы различных металлов. Если ион металла обладает сравнительно малым ионным радиусом, то энергия взаимодействия иона и дипольной молекулы воды будет больше тепловой энергии kT.

В этом случае ион взаимодействует с заряженной группой белка через двойной слой молекул воды и на поверхности белка не может прочно удерживаться. В таком растворе масса белковых молекул не изменяется.

Когда в качестве третьей компоненты в растворе присутствуют соли металлов, обладающих большими ионными радиусами, процессы адсорбции таких ионов на макромолекуле белка будут существенно отличаться от предыдущего случая.

Связь воды с ионами металлов определяется соотношением между тепловой энергией kT и электростатической энергией взаимодействия иона с дипольной молекулой воды Е_рq, которая зависит от ионного радиуса

здесь Е_pq - электростатическая энергия взаимодействия ион - молекула воды, q - поляризационный заряд иона тяжелого металла, р_w - дипольный момент молекулы воды, r_o - расстояние между центрами иона и молекулы воды, определяемое радиусом иона, ε - диэлектрическая проницаемость воды (≈80).

Если энергия взаимодействия Е_pq<kT, то на поверхности иона вода не будет удерживаться, и ионы могут образовывать электростатические пары на белке, полностью компенсируя его поверхностный заряд. Характер взаимодействия макромолекул белков в случае, когда в растворе имеются ионы с большим ионным радиусом, будет определяться в основном диполь-дипольными силами. Энергия диполь-дипольного взаимодействия молекул белка может быть выражена соотношением

здесь р - дипольный момент макромолекулы, l - расстояние наибольшего сближения диполей.

Энергия Е_рр диполь-дипольного взаимодействия при сближении диполей на расстояние порядка 30-50 может превышать тепловую энергию kT почти в 100 раз. В этом случае белковые молекулы, поверхностный заряд которых будет близок к 0, могут сблизиться на предельно малые расстояния друг от друга, образуя макромолекулярный комплекс - дипольный кластер.

Прямым и эффективным методом исследования растворов макромолекул является метод рэлеевского рассеяния света. Известное уравнение Дебая [5] позволяет связать экспериментально измеряемую величину - коэффициент рассеяния света (или мутность) раствора с концентрацией раствора и коэффициентом межмолекулярного взаимодействия (вторым вириальным коэффициентом в разложении осмотического давления по малым концентрациям):

где R₉₀ - рэлеевский коэффициент рассеяния, H - так называемая постоянная раствора

где dn/dc - инкремент показателя преломления раствора, К - коэффициент, определяющий оптическую анизотропию рассеивающих частиц, обычно близок к 1.

Уравнение (3) позволяет определять массу рассеивающих частиц с помощью экстраполяции концентрационной зависимости параметра cH/R₉₀ к нулевой концентрации.

Способ определения наличия тяжелых металлов в водных растворах согласно изобретению осуществляется следующим образом.

В стеклянную ампулу, содержащую образец исследуемого раствора с вероятным содержанием тяжелого металла, добавляются с помощью калиброванной пипетки малые количества (до 1 мл) раствора белка известной молекулярной массы в дистиллированной воде с оптимальной концентрацией (не превышающей 10 об. %), затем полученную смесь облучают лазерным излучением (например, He-Ne лазером) в стандартном режиме.

Определение эффективной массы рассеивающих частиц проводится с помощью метода рэлеевского рассеяния света.

Для этого сначала измеряют интенсивность рассеянного под углом 90^o к падающему лучу излучения в исследуемой жидкости (без добавления белка I_ф), затем измеряют интенсивность рассеяния I_R в исследуемой жидкости с добавлением раствора белка (при этом для избежания влияния многократного рассеяния концентрация белка в смеси должна изменяться в пределах от 0,5 до 3,0 вес.%). Далее путем сравнения интенсивности рассеяния в смеси при данной концентрации белка за вычетом интенсивности I_ф (I_r-I_ф) с интенсивностью рассеяния в эталонном образце I_э определяют величину коэффициента рассеяния R₉₀.

Далее рассчитывают параметр Н для данной длины волны лазерного излучения и данной величины dn/dc. Затем строят зависимость комплекса cH/R₉₀ от концентрации белка в смеси. С помощью линейной экстраполяции этой зависимости к нулевой концентрации белка определяют точку на оси ординат, которая позволяет найти среднюю эффективную массу рассеивающих частиц смеси. При возрастании массы рассеивающих частиц по сравнению с молекулярной массой белка определяют наличие тяжелого металла в растворе. Для иллюстрации предлагаемого метода были рассчитаны массы рассеивающих частиц в водном растворе белка в отсутствии (2) и в присутствии соли металла с ионным радиусом ~1,5 (1) при различных значениях водородного показателя раствора, определяющего поверхностный заряд белковой молекулы (фиг.1).

Расчет производился по формуле (3) для экспериментально измеренных значений рэлеевского коэффициента, полученных для растворов с различной концентрацией белка. Масса рассеивающих частиц определялась при экстраполяции концентрационной зависимости

к нулевой концентрации.

Масса рассеивающих частиц не остается постоянной, как в растворах белков в присутствии солей металлов с малыми ионными радиусами, а резко возрастает с ростом концентрации соли металла, при этом с изменением рН раствора, т.е. с ростом суммарного поверхностного заряда на белке в сторону положительных или отрицательных значений, масса рассеивающих частиц уменьшается и стремится к молекулярной массе белка.

На фиг. 2 представлены концентрационные зависимости параметра рассеяния для водных растворов белка в отсутствие соли (1) и в присутствии соли тяжелого металла (2) - (4). Как можно видеть, малые концентрации соли приводят к резкому увеличению массы рассеивающих частиц (уменьшение 1/М). Масса образующихся в растворе белковых кластеров увеличивается более чем на порядок по сравнению с массой одной макромолекулы. При этом для значения рН ~5 (изоэлектрическая точка белка) наблюдается наибольшее увеличение массы рассеивающих частиц.

Как следует из фиг.2, для увеличения чувствительности метода обнаружения тяжелых металлов в жидких средах следует проводить измерения рэлеевского коэффициента рассеяния раствора в области значений рН, близких к изоэлектрической точке белка, т. к. в этом случае диполь-дипольные взаимодействия макромолекул белка оказываются наиболее эффективными.

Пример. Было взято 3 мл исследуемой жидкости (водный раствор соли свинца с ионной силой 0,0015), в которую было добавлено последовательно 5 порций (по 200 мкл) 10% раствора сывороточного альбумина с массой 70000 г/моль. Значение dn/dc= 3,7•10^-1, при этом постоянная раствора согласно формуле (3) H=4,8•10^-7 (для длины волны лазера
Результат расчета - эффективная масса рассеивающих частиц смеси М= 3,65•10⁶ г/моль (почти на порядок превышает величину молекулярной массы альбумина).

Увеличение массы рассеивающих частиц по сравнению с молекулярной массой белка свидетельствует о наличии тяжелого металла в исследуемой жидкости.

Таким образом, создан способ определения наличия тяжелых металлов, отличающийся от известных способов тем, что для этой цели используется рассеяние света раствором, содержащим исследуемую жидкость и водный раствор белка оптимальной концентрации.

Этот метод может быть использован для мониторинга загрязнения природных сред тяжелыми металлами, включая источники питьевой воды.

Предлагаемый способ может также использоваться для токсикологического контроля различных водных растворов.

Литература
1. Чмутов А.К. Хроматография. - М.: Наука, 1968.

2. Петрусевич Ю. М. Сравнительная оценка чувствительности определения биоантиоксидантов хемилюминесцентными методами. Сб. Хемилюминесцентный метод в биологии и медицине. - Изд-во МГУ, 1978, с. 84-90.

3. Т.T. Basiev, Yu.V. Orlovskii et all. All solid state LIF Spectrometer for havy metals diagnostics in water solutions. Ecology of cities/Int. conference Proc. 1998. Rhodos. Greece (прототип).

4. Тэнфорд Ч. Физическая химия полимеров. М., 1965.

5. Дебай П. Определение молекулярного веса методом рассеяния света. //Избранные труды. - Л., 1987. - С. 363-376.

Формула изобретения

Способ определения наличия тяжелых металлов в водных растворах, включающий измерение физических параметров исследуемых растворов, отличающийся тем, что в исследуемый раствор добавляют водный раствор белка известной молекулярной массы, затем полученную смесь облучают лазерным светом, после этого определяют эффективную массу рассеивающих частиц смеси методом рэлеевского рассеяния света и по изменению этой массы по сравнению с молекулярной массой белка определяют наличие тяжелого металла в исследуемом растворе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2